电力电缆作为现代输配电系统的核心组件，其绝缘性能的可靠性直接影响到电网的安全稳定运行。然而，局部微观缺陷引发的电场畸变所导致的电树化现象，始终是制约绝缘材料长期稳定性的核心问题。自交联聚乙烯（XLPE）取代传统聚乙烯（PE）以来，虽然材料机械强度和绝缘性能显著提升，但电树枝老化问题日益凸显。研究表明，具有共轭结构和极性官能团的有机半导体添加剂能通过能量耗散机制有效提高电树起始电压（TIV）。然而，由于有机半导体分子与绝缘材料中的缺陷位点空间分布匹配度较低，传统低浓度（约1 wt.%）的均匀分散策略在调控局部电场方面效率不足，难以实现对微观缺陷的精确修复。

针对以上问题，我院周远翔团队创新性地提出自适应电荷捕获（Adaptive Charge Capture, ACC）机制，利用极性有机半导体蒽酮（anthrone, ET）的介电泳迁移特性，在非均匀电场驱动下，实现在缺陷区域的靶向富集。通过构建界面电荷势垒和反向本征电场，可同步提升电荷注入势垒（电树起始电压提高123%）和场强均匀性（内部电场降低18%）。该研究工作以“Anthrone/XLPE: an adaptive charge capture intelligent insulation material for advanced electric power transmission”为题发表在Nature工程领域子刊Communications Engineering期刊上。

该文章的第一完成单位为新疆大学，我院博士生李科为第一作者，南安普顿大学博士生周璐明为共同第一作者，我院周远翔教授和福州大学张云霄教授为共同通讯作者。

ET/XLPE的空间电荷行为

空间电荷的积累会引起局域电场畸变，加速绝缘劣化，最终导致击穿。在XLPE和蒽（EN）/XLPE体系中，空间电荷在强电场作用下呈现典型的同极性注入特征，电荷从阳极向阴极迁移并在电极附近积累（平衡时间约10分钟），形成中部场强高、两侧场强低的抛物线型电场分布（峰值场强：XLPE 59.6 kV/mm@165 μm，EN/XLPE 56.2 kV/mm@150 μm）。而蒽酮（ET）/XLPE体系则表现出独特的电荷输运行为——在加压瞬间即发生显著的空间电荷注入，其中约83%的注入电荷被限制在电极-介质界面15 μm范围内形成同极性积累层，其余电荷向阴极迁移并在距阳极15 μm处及阴极附近形成异极性电荷区（平衡时间缩短至5分钟）。这种特殊的电荷分布导致ET/XLPE形成"双极势垒"结构，使电场分布呈现中部凹陷（最低41 kV/mm@84 μm）、两侧增强的特征（峰值63 kV/mm@196 μm），与常规体系相比，其最大场强畸变率降低约28%。

图1. (A)XLPE, anthracene (EN)/XLPE(B)和anthrone (ET)/XLPE(C)的空间电荷和电场分布

与XLPE相比，EN/XLPE的电树起始电压提高了54%，ET/XLPE的电树起始电压则提高了123%。在恒压下，XLPE中的电树会持续生长，最终形成树枝状形态，最大长度达到2182 μm。而EN/XLPE和ET/XLPE的电树生长较为缓慢，约600秒后进入滞长阶段。EN/XLPE呈枝状形貌，最终长度为434 μm，ET/XLPE则呈丛状形貌，最终长度为378 μm。与XLPE相比，EN/XLPE的交流击穿强度降低了4.5%，而ET/XLPE的交流击穿强度则增加了9.3%。陷阱深度分布表明，EN/XLPE主要引入浅陷阱（0.84 eV），ET/XLPE则形成深陷阱（1.01 eV）。

图2. XLPE、蒽(EN)/XLPE和蒽酮(ET)/XLPE的绝缘强度与物理化学性质：(a)电树起始电压；(b)XLPE及其复合材料的电树起始电压(TIV)对比；(c)电树长度随时间增长曲线及最终形貌示意图；(d)交流击穿强度；(e)基于表面电位测量的陷阱能级分布；(f)EN与ET的能带结构图。

ET/XLPE的电荷调节机理

在初始加压阶段，由于ET在XLPE基体中呈均匀分布态，阳极界面附近的ET浓度梯度较低，此时ET/XLPE界面形成的深陷阱仅能捕获部分阳极注入电荷，其余电荷将迁移至材料体相。这一过程产生的空间电荷分布具有双重效应：一方面，被捕获的正电荷在界面区形成局部电场，该电场在电荷捕获层-阳极区间表现为场强削弱效应（ΔE≈-18%），而在电荷捕获层-阴极区间则增强体相电场强度；另一方面，这种非对称电场分布会通过负反馈机制抑制后续电荷注入，同时促进ET分子在电场梯度作用下的介电泳定向迁移，最终导致ET在阳极区富集。随着ET聚集程度的增加，深陷阱密度显著提升，界面电荷积累持续增强，进而形成具有自调节特性的空间电荷势垒。特别值得注意的是，在电荷捕获层与阴极之间会自发形成净负电荷区，其产生的反向本征电场（E_int≈0.82E_app）可有效抵消部分外加电场，使材料内部实际承受的场强降低约18%。这种基于动态电荷平衡的自我保护机制，为发展新一代自适应绝缘材料提供了重要的理论依据。

图3. 蒽酮(ET)/XLPE的空间电荷输运机理。(A)电荷输运和蒽酮的迁移。(B, C) ET/XLPE极化前后的SEM图像和EDS分析。碳和氧的均匀分布表明ET在交联聚乙烯中分布均匀。ET/XLPE极化后的SEM图像和EDS分析显示，地电极（GND）附近的碳和氧含量较高，表明蒽酮在该区域聚集。

电荷调控型绝缘增强与电树抑制机制

EN和ET通过能带工程调控和结晶度优化的双重机制，可有效提升XLPE的绝缘性能。作为有机半导体，EN和ET分别在XLPE的HOMO-LUMO能隙间引入新的电子轨道（EN：浅能级0.84 eV；ET：深能级1.01 eV），形成高效的电荷陷阱。特别是ET分子中的极性羰基，使其具有更高的电子亲和能（3.33 eV vs EN的2.42 eV），能够优先捕获高能电子（>3 eV），并通过基态-激发态转换以荧光/热形式耗散能量。此外，EN/XLPE和ET/XLPE的结晶度均提升至46%（相比纯XLPE的40%），增大的晶界势垒有效抑制了分子间的跳跃导电。两种机制的协同作用使ET/XLPE的电树起始电压提升了123%，并通过空间电荷均衡降低了局部电场强度18%。从电子结构角度来看，材料的电子亲和能（ΦEA）与电树起始电压（TIV）呈正相关，而能带间隙（Eg）与TIV则呈负相关。值得注意的是，ET分子中的极性羰基（C=O）和较窄的能隙，使其具备更强的捕获高能电子的能力。电场动力学方面，由于有机小分子（MW＜300 Da）存在介电泳迁移效应，ET分子在梯度电场驱动下会发生定向聚集。原位表征显示，在未施加电场时，ET分子呈均匀分布；而在施加电场后，ET分子会在高场强区域（如针尖）富集，局部浓度提升3-5倍，从而形成空间电荷势垒，使针尖附近的电场强度降低18-22%，最终使电树起始电压提升至17.4 kV（相比纯XLPE提高123%），显著抑制了电树生长速率。

图4. 有机半导体/XLPE电树增强机制。(a)电子能量耗散过程。(b-d)高压下XLPE、蒽(EN)/XLPE和蒽(ET)/XLPE的电荷输运。在XLPE(b)中，快速的电荷注入和针尖处的积聚会导致绝缘损伤。在EN/XLPE(c)中，EN捕获电荷，阻碍运输并减少分子链损伤。在ET/XLPE(d)中，ET在梯度场作用下积聚在针尖附近，形成一个反向电场，削弱局部电场，增加电荷注入阈值。ET/XLPE在极化前(e)，SEM图像和EDS结果显示碳和氧分布均匀，表明ET在XLPE中分布均匀。极化后(f)，针状电极附近的碳和氧含量增加，表明针状电极附近ET积累。

小结

综上，该工作通过介电泳效应利用有机半导体对绝缘薄弱点进行定向强化，使复合材料的电树起始电压（TIV）显著提升。其中ET/XLPE的TIV增幅达123%。通过构建形成反向电场的电荷势垒，有效抑制了XLPE中的电荷注入与积累，使其内部电场强度最高降低18%。研究结果证实了有机半导体的定向增强效应。将有机半导体重新用作聚烯烃添加剂（而非光电器件中的活性材料），可大幅拓展这类材料的应用范围。这一发现对推动有机半导体在绝缘介质领域的商业化应用具有关键意义。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44172-025-00361-1